基于道路模擬的汽車平順性臺架試驗開發

馬 立 英

(同濟大學 汽車學院中心實驗室, 上海 201804)

基于道路模擬的汽車平順性臺架試驗開發

馬 立 英

(同濟大學 汽車學院中心實驗室, 上海 201804)

從試驗教學角度出發，面向本科生，提出了汽車平順性臺架試驗的方法和流程。借助實驗室現有的大型儀器設備整車道路模擬試驗臺，通過對其道路模擬功能的梳理，結合汽車平順性試驗標準，進行了從道路運行再現、測點選擇與傳感器布置到數據處理評價的一般方法設計和開發。結果表明，借助道路模擬試驗臺開展汽車平順性試驗教學，把室外試驗場試驗搬進了室內，增加了試驗安排的靈活性和學生動手參與的機會，在踐行教學目標的同時，讓學生有條件接觸科技前沿的技術手段和方法，是基于試驗教學的學生專業實踐與創新能力培養的初步探索和嘗試。

汽車平順性; 試驗開發; 道路模擬

0 引 言

汽車平順性反映的是汽車在行駛過程中，由于路面不平引起的振動和沖擊對乘員舒適性的影響，是現代汽車的主要性能之一，也是關系到汽車質量和市場競爭力的重要因素之一[1-3]。對于車輛工程專業的本科生而言，這是一個必修的試驗項目。

如何充分利用科研實驗室優質儀器設備設施資源，培養具有創新精神的本科生在高等教育中顯得尤為重要[4-5]。傳統的汽車平順性試驗是在室外進行的，它的優點是貼近實際、現場感強；缺點是受限于場地、氣候因素以及學生安全的考慮，試驗安排受限，課程開展僅僅停留在演示階段，學生在整個試驗過程中參與度低，對試驗過程認識不深，達不到應有的教學效果。

本文結合同濟大學汽車學院中心實驗室的四通道道路模擬試驗臺，把原來在室外進行的汽車平順性試驗搬到室內的試驗臺架上[6]，由于不存在場地選擇和氣候因素的影響和限制，教學設計上，試驗安排的靈活性和學生的參與度都大大增加，學生在掌握汽車平順性試驗原理和方法的同時，還增加了對先進大型儀器設備技術手段的認識和了解，有助于學生在專業領域的實踐創新和視野拓展,提升就業競爭力。

1 道路模擬試驗臺原理及組成

本文所述試驗臺系統為電液伺服控制四通道道路模擬試驗臺, 它可以模擬并再現整車或總成部件實際道路運動特性，廣泛用于整車和部件總成的動力學特性研究和可靠性疲勞耐久分析與評價[7-10]。

該試驗臺系統如圖1所示，主要由作動器、控制系統、主計算機和動力供給系統四部分構成。作動器為電液伺服控制的線性往復運動油缸,一共有4個,分別通過與油缸活塞相連的托盤承載試驗車輛的4個車輪；控制系統主要由8800控制器組成，通過GPIB接口與客戶端主機通信，實現各通道的信號控制和傳輸；主控計算機集成有RS Console和Labsite 軟件系統,用于試驗配置及功能操控。動力供給系統由一套徑向柱塞泵驅動的液壓泵站系統構成，用于提供作動器運動所需的液壓能[11]。

圖1 道路模擬試驗臺系統

2 基于試驗臺的平順性試驗開發與設計

以GB/T4970《汽車平順性試驗方法》[12]為依據確立試驗教學方案，完成試驗設計。為了能夠在室內試驗臺上進行汽車平順性試驗，需要在室內道路模擬試驗臺上再現汽車道路行駛時的運動狀態，通過安裝在試驗車目標座椅上的加速度傳感器，進行汽車平順性試驗的數據采集，并按標準規定的方法完成汽車平順性評價。綜上所述，整個試驗過程可分解為道路模擬、測點選擇及傳感器布置、汽車平順性分析與評價。

2.1 道路模擬(即目標譜再現)

以實際道路采集的車輪軸頭位移信號為道路模擬目標譜,將試驗車輛放置在試驗臺上,4個車輪分別對應試驗臺的4個作動器油缸托盤,通過試驗臺基于TWR技術的道路模擬功能,實現道路目標譜再現。該過程由系統識別SI和目標模擬TS兩部分組成。

系統識別工作流程如圖2所示。首先，人為生成一個白粉紅噪聲信號，把它作為系統的激勵或輸入信號，通過采集系統在激勵作用下4個車輪軸頭的響應信號，根據已知的輸入和輸出，即可求解系統特性，完成系統識別。這里用頻響函數FRF表征系統特性，在數學描述上它是一個4×4矩陣。特別要說明的是這里的系統是指包括試驗車輛在內的試驗臺系統。

圖2 系統識別工作流程圖

在完成系統識別的基礎上，就可以進行目標模擬了，其工作流程如圖3所示。頻域里系統、輸入和輸出的關系可用下式描述:

(1)

式中:H(f)、X(f)和Y(f)分別為系統、輸入(激勵)和輸出(響應)的頻域表征。由此可知，通過系統識別獲得了系統特性，即系統已知；把外場某典型道路采集的4個車輪軸頭位移信號作為已識別系統的目標響應信號，即輸出已知；所以目標模擬實際上是一個求可以再現系統目標響應的輸入的過程，即驅動文件的求解過程。首次激勵由系統和目標響應按下式求得：

(2)

式中：H-1(f)為表征系統的頻響函數的逆；X1(f)、YT(f)分別為首次激勵(輸入)信號及目標響應(輸出)信號的頻域表征。

圖3 目標模擬工作流程圖

用獲得的首次激勵驅動(試驗臺+車)系統，采集試驗車軸頭目標信號位置的實際響應輸出，并把該測量響應與目標響應進行比較，其差值用于激勵信號的修正，用修正后的激勵信號再驅動系統，同時測量軸頭響應，并與目標響應求偏差，再次修正激勵信號。這是一個迭代的過程，可能需要幾步、數十步或更多步，這主要取決于系統的線性化程度。該過程涉及計算可用下式描述：

(3)

(4)

式中：yT(t)為目標響應信號的時域表征；xi(t)、yi(t)分別為第i步的驅動信號和相應軸頭測量的響應信號；xi+1(t)為第i+1步的驅動信號；ei(t)為第i步軸頭測量信號與目標響應信號的偏差。

通過道路目標譜再現環節，獲得了可以再現目標道路振動的試驗臺驅動信號文件，至此，汽車平順性試驗的臺架試驗條件準備完成。

2.2 測點選擇及傳感器布置

汽車平順性試驗考量的是乘員或駕駛員的乘坐舒適性,因此測點需布置在目標座椅上。按照GB/T4970規定,座椅上的測點位置有3個,分別是座椅座墊上方、座椅靠背和腳支撐地板處。每個測點有3個信號采集通道，用于采集x、y、z3個方向的加速度振動信號(見圖4，其中下標s、b、f分別表示座椅座墊、座椅靠背、腳支撐處)[12-15]。

圖4 測點位置及采集通道示意圖

本教學試驗的目的是讓學生熟悉汽車平順性的試驗流程，因此不必采集所有測點通道。可根據學時安排，選擇有代表性的測點和通道。考慮實際學時有限，本試驗項目選擇座椅、座墊為目標測點位置，完成數據采集和基于該目標位置的汽車平順性評價。用道路模擬獲得的驅動信號激勵(試驗臺+試驗車)系統振動，選用YD-232專用加墊三向加速度傳感器測量目標座椅坐墊加速度振動信號，選用INV306U智能信號采集處理分析儀進行數據采集,試驗要求數據采集截止頻率fc≤90 Hz。

2.3 汽車平順性分析與評價

根據上述信號數據采集結果，分以下3個步驟完成汽車平順性分析與評價：

(1) 計算各通道方向加速度加權均方根值。對采集的座椅加速度信號進行時頻轉換，再按1/3倍頻帶劃分23個頻帶(按最高截止頻率為90 Hz劃分)，按下式依次進行各頻帶加速度均方根值計算和各頻段加權：

(5)

(6)

各通道根據實際采集信號的方向選取不同的加權系數，具體各頻段加權系數在GB/T4970中已給出，表1給出部分數據[12]。

表1 座椅座墊上方加速度1/3倍頻帶加權系數表

(2) 計算目標位置總加權加速度均方根值。對按步驟(1)計算得到的各通道方向加速度加權均方根值按下式完成總加權加速度均方根值計算：

(7)

(3) 根據步驟(2)計算得到的總加權加速度均方根值，按表2[12-15]完成目標車輛目標座椅、座墊舒適性評價，即座椅目標位置的汽車平順性評價。

表2 總加權加速度均方根值與人的主觀感覺之間的關系

3 結 語

在車輛工程專業本科生試驗課程教學中，引入大型先進儀器設備進行試驗教學是一種教學嘗試，也是科技進步對試驗教改的必然推動。借助室內道路模擬試驗臺進行汽車平順性試驗教學，一改演示為主的教學模式，學生在教師指導下分批次進行試驗，參與動手，完成目標測點傳感器布置、道路目標譜播放、數據采集全過程，課后需根據提供的Matlab程序獨立完成試驗數據處理并給出結果評價，提交試驗報告。課程試運行效果很好，在踐行教學目標的同時，讓學生接觸科技前沿技術手段和方法，是基于試驗教學的學生專業實踐與創新能力培養的初步探索和嘗試。

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Experimental Development of Automotive Ride Comfort Based on Road Simulator

MALiying

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

In this paper, an experimental teaching approach of automotive ride comfort is developed by means of road load simulator in laboratory. The car is moved from proving ground to the test rig in room, it is more flexible for course arrangement and design of practical program. The result shows that it is significantly efficient to inspire students' learning interest and foster their practical skill. This is a primary exploration to raise students professional ability and hands-on skill.

automotive ride comfort； experimental development； road simulation

2016-05-05

馬立英(1972-)，女，山東萊蕪人，高級工程師，現主要從事汽車零部件及整車可靠性疲勞耐久相關試驗技術研究和教學。

Tel.:021-69589251×1021; E-mail:maliying@tongji.edu.cn

U 467.1

A

1006-7167(2017)02-0080-03